Les nanomatériaux jouent un rôle essentiel dans de nombreux domaines de la vie quotidienne. Il y a donc un grand intérêt à acquérir des connaissances détaillées sur leurs propriétés optiques et électroniques. Les microscopes conventionnels dépassent leurs limites lorsque la taille des particules tombe dans la plage de quelques dizaines de nanomètres, où une seule particule ne fournit qu'un signal extrêmement faible. En conséquence, de nombreuses investigations se limitent à de grands ensembles de particules. Maintenant, une équipe de scientifiques de la division de spectroscopie laser du professeur Theodor W. Hänsch (directeur à l'Institut Max Planck d'optique quantique et chaire de physique expérimentale à la Ludwig-Maximilians-Universität Munich) a mis au point une technique, où une microcavité optique est utilisée pour améliorer les signaux de plus de 1000 fois et en même temps atteint une résolution optique proche de la limite de diffraction fondamentale. La possibilité d'étudier les propriétés optiques de nanoparticules ou de macromolécules individuelles promet un potentiel intrigant pour de nombreux domaines de la biologie, chimie, et nanosciences.

Les mesures spectroscopiques sur de grands ensembles de nanoparticules souffrent du fait que les différences individuelles de taille, forme, et la composition moléculaire sont lessivées et seules des quantités moyennes peuvent être extraites. Il y a donc un grand intérêt à développer des techniques sensibles à une seule particule. "Notre approche consiste à piéger la lumière de la sonde utilisée pour l'imagerie à l'intérieur d'un résonateur optique, où il circule des dizaines de milliers de fois. Cela améliore l'interaction entre la lumière et l'échantillon, et le signal devient facilement mesurable", explique le Dr David Hunger, l'un des scientifiques travaillant sur l'expérience. "Pour un microscope ordinaire, le signal ne serait qu'un millionième de la puissance d'entrée, ce qui est difficilement mesurable. A cause du résonateur, le signal est amélioré par un facteur de 50000.

Au microscope, construit par le Dr David Hunger et son équipe, une face du résonateur est constituée d'un miroir plan qui sert en même temps de support aux nanoparticules étudiées. La contrepartie est un miroir fortement incurvé sur la facette d'extrémité d'une fibre optique. La lumière laser est couplée dans le résonateur à travers cette fibre. Le miroir plan est déplacé point par point par rapport à la fibre afin d'amener pas à pas la particule dans son foyer. À la fois, la distance entre les deux miroirs est réglée de telle sorte que la condition d'apparition de modes de résonance soit remplie. Cela nécessite une précision de l'ordre des picomètres.

Pour leurs premières mesures, les scientifiques ont utilisé des sphères d'or d'un diamètre de 40 nanomètres. "Les particules d'or nous servent de système de référence, car nous pouvons calculer précisément leurs propriétés et donc vérifier la validité de nos mesures" précise David Hunger. "Comme nous connaissons très précisément les propriétés optiques de nos appareils de mesure, nous pouvons déterminer quantitativement les propriétés optiques des particules à partir du signal de transmission et les comparer au calcul". Contrairement à d'autres méthodes reposant sur l'amélioration directe du signal, le champ lumineux est limité à une très petite surface, tel qu'en n'utilisant que le mode fondamental, une résolution spatiale de 2 microns est atteinte. En combinant des modes d'ordre supérieur, les scientifiques pourraient même augmenter la résolution à environ 800 nanomètres.

La méthode devient encore plus puissante lorsque les propriétés d'absorption et de dispersion d'une seule particule ont été déterminées en même temps. Ceci est intéressant surtout si les particules ne sont pas sphériques mais par ex. allongé. Puis, les quantités correspondantes dépendent de l'orientation de la polarisation de la lumière par rapport aux axes de symétrie de la particule. "Dans notre expérience, nous utilisons des nanotiges d'or (34x25x25 nm ³ ) et on observe comment la fréquence de résonance se décale en fonction de l'orientation de la polarisation. Si la polarisation est orientée parallèlement aux axes de la tige, le décalage de la résonance est plus important que si la polarisation est orientée orthogonalement, résultant en deux fréquences de résonance différentes pour les deux polarisations orthogonales" explique Matthias Mader, Doctorant à l'expérimentation. "Cette biréfringence peut être mesurée très précisément et est un indicateur très sensible de la forme et de l'orientation de la particule."

"En application de notre méthode, nous pourrions penser par ex. étudier la dynamique temporelle des macromolécules, comme la dynamique de repliement des protéines ", explique David Hunger. " Dans l'ensemble, nous voyons un grand potentiel pour notre méthode :de la caractérisation des nanomatériaux et des nanosystèmes biologiques à la spectroscopie des émetteurs quantiques. "